드리프트 속도

물리학에서 드리프트 속도는 전자와 같은 하전 입자가 전계에 의해 물질에 도달한 평균 속도입니다.일반적으로 도체의 전자는 페르미 속도로 무작위로 전파되어 평균 속도가 0이 됩니다.전계를 적용하면 이 랜덤 운동에 한 방향으로 작은 순 흐름이 추가됩니다. 이것이 드리프트입니다.

전자의 드리프트 속도

드리프트 속도는 전류에 비례합니다.또한 저항성 재료에서는 외부 전계의 크기에 비례한다.따라서 옴의 법칙은 드리프트 속도의 관점에서 설명될 수 있다.이 법의 가장 기본적인 표현은 다음과 같다.

u=\mu E,

$여기$ 서 u는 드리프트 속도, μ는 물질의 전자 이동도, $E$ 는 전기장이다.MKS 시스템에서 이들 수량의 단위는 각각 m/s, m²/(V·s) 및 V/m이다.

전위차가 도체에 가해질 때 자유전자는 연속적인 충돌 사이의 전기장과 반대 방향의 속도를 얻습니다(그리고 전기장 방향으로 이동할 때 속도를 잃습니다). 따라서 무작위 열속도와 더불어 그 방향의 속도 성분을 얻습니다.그 결과, 전자의 드리프트 속도는 확실히 작아지고, 자유 전자의 랜덤한 움직임에 중첩됩니다.이 드리프트 속도 때문에 전자의 순 흐름은 필드 방향과 반대입니다.

실험적 측정

일정한 단면적의 재료에서 전하 운반체의 드리프트 속도를 평가하기 위한 공식은 다음과 같다.^[1]

{{displaystyle u={j \over nq}}

$여기$ 서 u는 전자의 드리프트 속도, $j$ 는 물질을 흐르는 전류 밀도, $n$ 은 전하-수밀도, q는 전하-수밀도이다.

이것은 다음과 같이 쓸 수도 있습니다.

j=nqu

그러나 전류 밀도와 드리프트 속도(j와 u)는 사실 벡터이기 때문에 이 관계는 종종 다음과 같이 기술됩니다.

\mathbf {J} =\rho \mathbf {u} ,

어디에

{\displaystyle\rho=nq}

는 전하 밀도(SI 단위: 입방미터당 쿨롬)입니다.

전하 캐리어가 전자일 경우, 우측 원통형 전류를 전달하는 금속 오믹 도체의 기본 특성 측면에서 이 식은 다음과 ^{[citation needed]}같이 고쳐 쓸 수 있습니다.

(\displaystyle u={m\;\delta V\over\rho ef\ell})

어디에

$u$ 는 다시 전자의 드리프트 속도이다(mµs⁻¹).
m은 금속의 분자량(kg 단위)이다.
$θ$ 는 고려된 온도에서 매체의 전기 전도율(S/m)이다.
δV는 도체에 인가되는 전압(V)입니다.
$θ$ 는 도체의 밀도(단위 부피당 질량)로 kgµm⁻³ 단위
$e$ 는 C 단위의 기본 전하입니다.
$f$ 는 원자당 자유 전자의 수이다.
θ는 도체의 길이(m)입니다.

수치 예시

전기는 가장 일반적으로 구리선을 통해 전도된다.구리의 밀도는 8.94g³/cm이고 원자량은 63.546g/mol이므로 140685.5mol³/m입니다.어떤 원소의 몰에도 6.022×10개의²³ 원자가 있다(아보가드로 수).따라서 구리 1m에는³ 약 8.5×10개의²⁸ 원자가 존재한다(6.022×10²³×140685.5mol/m³).구리는 원자당 하나의 자유 전자를 가지고 있기 $때문$ 에 n은 입방미터당 8.5×10개의²⁸ 전자와 같다.

$전류$ I = 1암페어 및 직경 2mm 와이어(표준 = 0.001m)를 가정합니다.이 와이어의 $단면적$ A는 θ × (0.001 m)² = 3.14 × 10⁻⁶² m = 3.14² mm입니다. $하나$ 의 전자는 q = -1.6×10⁻¹⁹ C이다.따라서 드리프트 속도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

{\begin{aligned}u&={I \over nAq}\\&=flac {1\text{C}/{\text{s}}}{\left(8.5\times 10^{28}{-3}\right)\left(3.14\times 10^{6-{6}\text}{2}^2}\text}{{{\text}}}}{\text}}{{\text}}}}{\text}}}}}}{{\}{}}\&=2.3\times 10^{-5}{\text{m}}/{\text{s}}\end{aligned}}

치수 분석:

u=displaydfrac\text}A} {\dfrac {\text {electron} {\text {m} ^{3}} {\cdot } {\text {m} ^2} \cdot {\dfrac {\text}C}}{\text{electron}}}=140dfrac{dfrac}{text{C}}{\text{s}}{{\dfrac {1}{\text{m}}{\cdot}{\text{\text}}C}}}}}=dfrac{text{m}{\text{s}}

따라서 이 와이어에서는 전자가 23μm/s의 속도로 흐릅니다.즉, 60Hz 교류에서는 반주기 이내에 전자가 0.2μm 미만으로 표류합니다.즉, 스위치의 접점을 통과하는 전자는 실제로는 스위치에서 나오지 않습니다.

이에 비해 이들 전자의 페르미 유속은 약 1570km/^[2]s이다(상온에서 전류가 없을 때의 대략적인 속도라고 생각할 수 있다).

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Griffiths, David (1999). Introduction to Electrodynamics (3 ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall. p. 289. ISBN 9780138053260.
^ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html 옴의 법칙, 현미경 뷰, 2015-11-16 검색

외부 링크

옴의 법칙: 초물리학에서의 현미경적 시각

[1] Griffiths, David (1999). Introduction to Electrodynamics (3 ed.). Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall. p. 289. ISBN 9780138053260.

[2] ttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html 옴의 법칙, 현미경 뷰, 2015-11-16 검색

[1]

[2]

Search

드리프트 속도

네임스페이스

더

목차

실험적 측정

수치 예시

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크

Search

드리프트 속도

실험적 측정

수치 예시

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크

「」를 참조해 주세요.